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Ciel bleu et rayon vert

Le rayon vert (III)

Beaucoup de récits relatent l'observation d'un rayon vert ou bleuté émis par le Soleil au moment du coucher, surtout de la part d'observateurs revenant de voyages en mer. Pour l'homme de la rue le rayon vert est tout simplement un mythe, pour d'autres c'est un phénomène inexpliqué et même pour certains astronomes amateur il s'agit d'un phénomène tout à fait banal... Tout cela est faux !

Malgré la couverture quelque peu mythique qui enveloppe le "rayon vert" je dois malheureusement décevoir certaines personnes car de mythe ou de phénomène inexpliqué il n'en est point. Le rayon vert est un phénomène atmosphérique qui se manifeste au coucher ou au lever du Soleil et non pas comme on le lit encore quelquefois uniquement après le coucher du Soleil. Et de fait lorsqu'il est près de l'horizon on peut observer une discrète lueur verte à son sommet ou un dernier flash vert avant qu'il ne disparaisse.

A gauche apparition du rayon vert au coucher du Soleil précédé par un mirage inférieur lié à une inversion thermique près du sol. Photographie composite réalisée avec un téléobjectif de 200 mm par Thomas "Hank" Hogan et publiée dans le magazine Physics Today en décembre 1999. A droite le rayon vert photographié en mars 1992 sur la plage d'Oahu à Hawaii par Park McGraw. Cliquer sur l'image pour l'agrandir.

En anglais le terme "rayon vert" est traduit par plusieurs substantifs "green flash", "green ray" ou "green beam". Mais le mot anglais "flash" est également synonyme en français de lampe torche, d'éclair, de lumière clignotante ou de phare d'où une certaine ambiguïté quand il faut décrire avec précision un phénomène optique. Etant donné l'usage du seul terme "rayon vert" en français, il est difficile de le remplacer par un autre mot plus approprié, fonction la durée ou de l'étendue du phénomène (lumière, flash, etc). Aussi dans cet article je conserverai la dénomination francophone habituelle.

L'histoire au service de la science

Les plus anciennes traces historiques de ce phénomène, hormis les effets optiques liés à la réfraction atmosphérique, remontent à l'observation de Sir George Back relatée dans son récit de voyage en Arctique "Narrative of an expedition in H. M. S. Terror, undertaken with a view to geographical discovery on the Arctic shores, in the years 1836-7" p191. Le 17 janvier 1827 il notait dans son journal "Dans la matinée cependant, à 9h45, pendant que nous étions montés sur un promontoire élevé de 5m, j'observais le limbe supérieur du Soleil alors qu'il remplissait une crevasse située sur la crête du cap de la plus brillante couleur émeraude, un phénomène dont je n'avais jamais été témoin dans ces régions".

Simulation du rayon vert

A gauche, le rayon vert simulé dans l'atmosphère standard et à 4m au-dessus du niveau de la mer; un cas d'école qui ne se produit pratiquement jamais. Voici une version rapprochée. Notez que le liseré vert est présent sur tout le pourtour du disque. A la fin de la séquence le flash apparaît bien centré au sommet du disque, preuve qu'il n'a pas été amplifié par un mirage. Au centre, une simulation plus réaliste d'un rayon vert observé à 45 m au-dessus du niveau de la mer montrant un faux mirage suite à une inversion thermique entre 20 et 25m d'altitude. A droite, un mirage inférieur accompagné du rayon vert. Cliquer sur les images pour lancer les animations (GIF de 37 à 55 KB). Simulations réalisées par Andrew T.Young/SDSU.

Quelques années plus tard, en 1869, James Prescott Joule relata l'observation suivante dans une lettre adressée à la Société Littéraire et Philosophique de Manchester. Il nota tout d'abord "A l'instant de la disparition du Soleil sous l'horizon, [on aperçut] un dernier éclat de couleur vert-bleuté"

Comme en témoigne les simulations reprises ci-dessus ce rayon vert est associé au mirage inférieur, ce phénomène de réfraction familier que tout le monde a observé soit sur une route surchauffée par le Soleil soit dans le désert. Ce phénomène optique est provoqué non pas par une inversion thermique mais par le phénomène inverse, un gradient super adiabatique au-dessus d'un sol surchauffé. Ce phénomène apparaît d'autant mieux lorsque l'observateur se place quelques mètres au-dessus du niveau de la mer et il sera d'une couleur plus saturée encore et plus dense si l'observateur se place à quelques centaines de mètres de hauteur où le rayon se réduira à un fine trait vert sur l'horizon.

A gauche, l'inversion thermique dans les basses couches ou un gradient super adiabatique au sol (voir schéma) participe à l'apparition du rayon vert mais dans le cas du faux mirage, le plus important c'est la pente de la courbe de température. Une différence de 0.02256°C à l'altitude où se produit l'inversion de température comme indiqué sur le graphique suffit à produire un rayon vert. Plus le lissage gaussien de la pente est important (2m dans notre exemple), plus le rayon vert sera apparent. Document Andrew T.Young/SDSU. A droite, partie gauche, un rayon vert amplifié par un faux mirage. A droite, évolution d'un rayon vert devant bleu puis violet associé à un mirage inférieur (s'il n'y avait pas eu amplification, la partie la plus colorée du flash vert serait au milieu et non pas à l'extrémité ou aux extrémités). Photographies réalisées par Jérôme Noellat depuis le Rocher à la Voile à Nouméa, en Nouvelle Calédonie. La séquence de droite a été prise le 27 mai 2010 avec un réflex Canon 450d équipé d'un zoom EF 75-300 sur 300 (480mm) f/16, pose 1/1000e de sec. en mode rafale.

James P.Joule observa également que "juste à la limite supérieure, là où les bandes du disque solaire sont séparées les unes des autres par la réfraction, chaque bande pris une couleur bleue juste avant de disparaître". Cette seconde forme de rayon vert est associée à des faux mirages provoqués cette fois par une inversion thermique dans les basses couches, sous le niveau des yeux. C'est la raison pour laquelle ce type de rayon vert apparaît surtout depuis des sites élevés, comme par exemple à l'Observatoire du Mont Wilson en Californie situé à 1740 m d'altitude et faisant face au bassin de Los Angeles.

Enfin, à la fin du XIXeme siècle il faut rappeler que c'est Jules Verne dans ces récits de voyage fantastiques qui attira l'attention des scientifiques français sur le sujet et qui rendit possible une discussion cohérente sur ce qui semblait encore être à cette époque l'un des derniers mythes populaires, à l'image des pierres qui tombait du ciel...

Qu'est-ce que le rayon vert ?

Le rayon vert peut apparaître sous six ou sept formes différentes dont deux sont relativement communes. Soit le rayon vert est visible quelques secondes avant ou après le coucher du Soleil soit il peut apparaître alors que le disque du Soleil est encore bien visible au-dessus de l'horizon comme en témoigne les images présentées ci-dessus et page suivante. Dans sa deuxième forme nous parlons bien de rayon vert car le disque solaire garde sa couleur ordinaire mais il peut être surmonté ou légèrement cerclé d'un fin arc de cercle verdâtre.

L'astronome américain Andrew T.Young de la San Diego State University a réalisé une étude approfondie sur le sujet. Il nous rappelle que la plupart des observations (2/3-3/4) concernent le rayon vert associé au mirage inférieur. Les autres observations concernent les flashes associés aux faux mirages (mock mirage).  Les phénomènes restants comme le flash du sommet des nuages et le flash d'Alister Fraser sont mal connus et rares. Ils représentent moins de 1% de toutes les observations.

Type

Caractéristiques

Conditions

Meilleure observation

Flash associé au mirage inférieur

Oval et base aplatie, dure environ 2 secondes

Surface plus chaude que l'air adjacent 

3 à 5m au-dessus de la mer

Flash du faux mirage

Appendice se détachant du sommet du disque du Soleil; dure de 2 à 5 sec, parfois même 15 sec

Couche d'inversion atmosphérique sous le niveau des yeux

Plus l'observateur est situé haut plus il est probable; le flash est d'autant plus visible lorsque les yeux sont situés juste au-dessus de la couche d'inversion

Flash du sous-canal

Une grande partie du limbe supérieur du Soleil couchant devient vert jusqu'à 15 secondes

Forte inversion thermique

Dans un intervalle de hauteur réduit situé juste sous un canal thermique. Peut apparaître à n'importe quelle altitude.

Rayon vert

Le rayon lumineux semble émis par un phare vert. Peut apparaître juste après le coucher du Soleil. Peut s'étendre sur quelques degrés mais ne dure que 2-3 secondes.

Brume légère, l'un des types de "rayon vert" mentionné ci-dessus agissant comme source lumineuse.

Bord de mer

Rayon vert du sommet des nuages

Le rayon coloré est en général émis en présence de brume côtière au coucher du Soleil mais parfois aussi au-dessus de nuages cumuliformes éloignés.

Brume légère ou cumulus lointains

?

Flash d'Alister Fraser

Variante du faux mirage

Les inversions sont poussées au-dessus du relief par un mécanisme orographique

Relief propice aux phénomènes nuageux orographiques

Source : Andrew T.Young

L'effet de la réfraction

Physiquement parlant le rayon vert s'explique par la combinaison de l'effet de la réfraction atmosphérique et d'une importante variation de température entre l'air et le sol. En fait les différentes couches de l'atmosphère terrestre jouent le rôle de prismes en décomposant la lumière du Soleil. En entrant dans l'atmosphère les rayons du Soleil sont réfractés en raison du freinage de la lumière qui pénètre dans un milieu de densité plus élevée. Elle subit une déviation car il existe une dépendance de l'indice de réfraction vis-à-vis de la longueur d'onde. 

C'est le même phénomène qui explique la réfraction d'un objet plongé à mi-longueur dans un liquide ou le phénomène de l'arc-en-ciel.

Sachant que l'essentiel de l'atmosphère se concentre dans les premiers 5500 m au-dessus du sol, lorsque la lumière solaire vient de l'horizon elle doit traverser un volume d'air près de dix fois plus épais que la couche d'air que nous avons au-dessus de la tête. L'effet de la réfraction n'étant pas linéaire et il devient plus apparent à mesure que le Soleil descend sur l'horizon où il atteint son effet maximum lorsque les rayons solaires arrivent horizontalement.

Le mirage inférieur s'explique par l'effet de la réfraction atmosphérique sur une surface surchauffée. L'air étant moins dense quand il est chaud, les rayons incidents sont obligés de se recourber et de remonter dans l'air plus dense pour atteindre l'observateur. Si vous êtes situé à 5m au-dessus de la surface comme le montre ce dessin, l'horizon apparent est situé 6 minutes d'arc sous la courbure de la Terre, comme si vous étiez situé à 12m de hauteur dans l'atmosphère standard. Mais physiquement votre regard croise l'horizon apparent beaucoup plus près, comme s'il s'était rapproché à 4 km de distance seulement. Adapté de Andrew T.Young.

Dans l'atmosphère terrestre la réfraction de la lumière ne représente qu'une faible déviation (1' à 45° du zénith) mais le phénomène est fortement amplifié lorsque la lumière traverse les basses couches de l'atmosphère où la déviation est décuplée sur l'horizon (33', soit un peu plus que le diamètre du Soleil). On compare parfois ce phénomène à l'effet grossissant produit par une lentille cylindrique horizontale; les couches laminaires d'une atmosphère calme fait alors office de loupe.

Sur la réfraction se greffe ensuite le phénomène de la diffusion de la lumière. Les longueurs d'ondes les plus courtes subissent une réfraction très importante qui provoque une décomposition de la lumière blanche dans ses différentes couleurs primaires.

Les rayons bleus sont fortement réfractés et sont diffusés par les molécules d'air tandis que les rayons verts et rouges le sont beaucoup moins, c'est la diffusion de Rayleigh. Près de l'horizon la combinaison plus ou moins équilibrée des couleurs vertes et rouges donnent au ciel de l'observateur une tonalité orange voire rosée lorsqu'un peu de bleu subsiste. C'est dame Nature qui nous offre une synthèse additive des couleurs que tous les photographes connaissent bien.

Plus le Soleil est bas sur l'horizon plus la lumière parcourt une longue distance dans l'atmosphère et plus elle est diffusée, ne laissant parfois parvenir à l'observateur que les rayons rouges, donnant au ciel des couleurs enflammées comme en témoigne la galerie d'images des couchers de Soleil

Ceci est le cas d'école car en réalité comme nous l'avons expliqué des effets de mirage se greffent souvent sur ce phénomène et modifient l'aspect apparent du disque du Soleil et l'endroit où se manifeste le rayon vert. En de très rares circonstances et malgré la diffusion de la lumière bleue un rayon bleu peut apparaître comme en témoigne la simulation présentée ci-dessous.

Agrandissement d'un mirage inférieur accompagné du rayon vert. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF de 74KB). Simulation réalisée par A.T.Young.

En pratique, en présence de mirage au coucher du Soleil les longueurs d'onde les plus courtes (bleues et vertes) s'élèvent plus haut que les longueurs d'ondes plus longues (rouge) suite à la réfraction atmosphérique dans les basses couches. Dans ces conditions les rayons rouges peu réfractés peuvent se coucher et disparaître prématurément avant les rayons bleus et verts qui peuvent subsister alors que le Soleil est déjà sous l'horizon depuis quelques secondes. Si le limbe du Soleil est encore visible, sa partie supérieure ou l'appendice qui s'en est détachée par l'effet d'un mirage prend alors une couleur verte ou bleutée. Dans d'autres circonstances si la couleur rouge de l'atmosphère est accentuée le flash bleuté peut disparaître. Il ne reste alors que le rayon vert.

Prochain chapitre

Les conditions d'apparition du rayon vert

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